Stone deterioration and replacement of natural building stones at the Cologne cathedral - A contribution to the preservation of cultural heritage

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verwitterung von Naturwerkstein als Funktion von mineralogischen und petrophysikalischen Eigenschaften unter unterschiedlichen umwelt- und bauphysikalischen Bedingungen. Am Beispiel des Kölner Doms wird zum einen die große Anzahl an unterschiedlichen Baumaterialien, die in diesem Bauwerk angetroffen werden, vorgestellt. Darüber hinaus werden auch die daraus resultierenden Probleme von Interferenzen der verschiedenen Materialien untereinander in Hinblick auf ihre Verwitterung beleuchtet. Physikalische und chemische Verwitterungsprozesse werden anhand von Laborversuchen und Tests empirisch erfasst. Diese werden mit den festgestellten spezifischen petrophysikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Gesteine korreliert und im Zusammenhang mit den in situ festgestellten Verwitterungsphänomenen und –prozessen diskutiert. Um die unterschiedlichen Einflüsse der Verwitterungs- und Umweltbelastungen zu evaluieren, wird die Natursteinverwitterung an drei Standorten – dem industriell geprägten Köln, Xanten mit einem städtischen Klima und im ländlichen Altenberg im Bergischen Land – vergleichend studiert. Hierbei zeigt sich der starke Einfluss der Luftverschmutzung auf die Natursteinverwitterung nicht nur für karbonatische sondern auch für silikatische Gesteine. Beispielhaft werden am Drachenfels Trachyt die Mineralkomposition, die Gefügeeigenschaften und die petrophysikalischen Eigenschaften des Gesteins im Gesamtzusammenhang miteinander korreliert und mit den festgestellten Schadensphänomenen und den ermittelten physikalischen und chemischen Verwitterungsprozessen abgeglichen. Aus diesen Erkenntnissen heraus wird ein Modell zur Verwitterung dieses Naturwerksteins entwickelt. In Hinblick auf Natursteinersatz als Erhaltungsmaßnahme für historische Kulturgüter aus Stein werden die Untersuchungsergebnisse, die Erkenntnisse aus den Laborversuchen und den Diskussionen zusammengeführt und bestehende grundsätzliche Anforderungen an ein Ersatzgestein weiter differenziert. Die verschiedenen Wechselwirkungsmechanismen der unterschiedlichen Naturwerksteine, die in einem Bauwerk verbaut sind, werden vor dem Hintergrund ihrer petrophysikalischen Charakteristika sowie ihres Verwitterungsverhaltens bewertet. Basierend auf dieser Beurteilung wird eine Auswahl-Systematik entwickelt, die die Evaluierung der Verträglichkeit von historischen und modernen Austauschgesteinen für historische Bauwerke unterstützt. Aufgrund seiner langen über 600 Jahre währenden Baugeschichte ist der Kölner Dom aus über 50 verschiedenen Bausteinen errichtet. Die vorliegende Arbeit bezieht sich dabei auf acht Haupt-Bausteine. Die untersuchten „Dom-Bausteine“ sind der Drachenfels Trachyt, der Stenzelberg Latit, der Obernkirchener und der Schlaitdorfer Sandstein, der Krensheimer Muschelkalk, die Londorfer Basaltlava sowie der Montemerlo Trachyt und der Bozanov Sandstein. Eine Verwendung ähnlicher Naturwerksteine ist auch beim Xantener und beim Altenberger Dom festzustellen, die ebenfalls aus dem 13. Jahrhundert stammen. Für diese drei mittelalterlichen Bauwerke wurden nicht nur zu ihrer Entstehungszeit sondern auch in späteren Restaurierungs- und Wiederinstandsetzungsmaßnahmen ähnliche Bausteine verwendet. Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit stellt die drei Kathedralen in ihrem bauhistorischen Kontext vor und zeigt die Verwendung der unterschiedlichen Naturwerksteine auf. Es erwies sich schon zu ihrer Erbauungszeit und auch zu Zeiten des Weiterbaus, dass die Frage nach einem adäquaten Ersatzgestein entscheidend war, seit der ursprünglich verwendete Drachenfels Trachyt ab dem 19. Jahrhundert für Weiterbau- und Instandsetzungsmaßnahmen nicht mehr zur Verfügung stand. Die Umweltbedingungen an den drei Standorten unterscheiden sich sehr stark: Der Kölner Dom ist in einem industriell geprägten Raum zu finden, das städtische Klima von Xanten zeigt geringe industrielle Prägung, während Altenberg in einer ländlichen waldreichen Gegend liegt. Diese drei unterschiedlichen Umweltbedingungen der Kathedralen werden in Kapitel 3 beleuchtet. Darüber hinaus, werden mikroklimatische Feuchtigkeits- und Temperatur-Messungen und die entsprechenden Verteilungen in verschiedenen Bausteinen des Kölner Doms vorgestellt. Sensoren wurden in situ platziert in unterschiedlichen Tiefen innerhalb der jeweiligen Bauwerksteine und in unterschiedlich exponierten Bereichen des Bauwerks. Diese Messungen sollen dazu beitragen, die Wechselwirkungen von Feuchtigkeits- und Temperatur-Verteilung in den Bauwerksgesteinen mit den festgestellten Schäden und untersuchten Verwitterungsprozessen zu korrelieren. Die Naturwerksteine an den drei Bauwerken in den unterschiedlichen Umweltbedingungen zeigen ähnliche Verwitterungsmuster. Am Kölner Dom ist eine sehr starke Naturstein-Verwitterung festzustellen, die die statische Sicherheit von Gebäudeteilen mitunter gefährdet. Der Drachenfels Trachyt zeigt ausgeprägte Verwitterungsmerkmale, wie Schalen- und Schuppenbildung, strukturelle Entfestigung und Bröckelzerfall bis hin zum Totalverlust. Auch die anderen Bauwerksgesteine wie Sand- und Kalksteine sowie vulkanische Gesteine zeigen signifikante Verwitterung. Die unterschiedlichen Verwitterungsphänomene sind in Kapitel 4 dargestellt. Am Xantener und Altenberger Dom wurden ähnliche Verwitterungsmerkmale festgestellt, allerdings in viel geringerem Umfang und geringerer Intensität. Die Prozesse, die die Verwitterung begründen, sind vergleichbar. Diese werden von der mineralogischen Zusammensetzung und den Gefügeeigenschaften der jeweiligen Steine bestimmt, die wiederum die petrophysikalischen Eigenschaften beeinflussen. Dadurch wird deutlich, dass die unterschiedliche Intensitätsausprägung an den drei Bauwerken in den unterschiedlichen umweltklimatischen Bedingungen begründet liegt. Die Eigenschaften und gesteinsspezifischen Charakteristika der acht untersuchten „Dom-Bausteine“ sind festgestellt worden. In Kapitel 5 werden ihre petrographischen und petrophysikalischen Eigenschaften sowie ihr Feuchte- und Temperaturverhalten als auch ihre Festigkeitsparameter bestimmt. Diese Eigenschaften werden miteinander korreliert in Hinblick auf ihren wechselwirkenden Einfluss und ihre Abhängigkeiten untereinander und sie werden in Hinblick auf ihren Einfluss auf die typischen Verwitterungsphänomene der einzelnen Steine diskutiert. Kapitel 6 beschreibt Experimente und Tests zur physikalischen Verwitterung von Naturwerksteinen. Das Trocknungsverhalten der acht „Dom-Bausteine“ sowie ihr Verhalten bei zyklischer Frost-Tau-Belastung und Salzbelastung werden diskutiert. Die Test-Ergebnisse werden mit den gesteinsspezifischen Eigenschaften korreliert und mit dem in situ beobachteten Verfall verglichen. Die Ergebnisse von verschiedenen chemischen Experimenten werden in Kapitel 7 diskutiert und sollen zum Verständnis von chemischen Verwitterungsreaktionen der unterschiedlichen Steine beitragen. Neben einer generellen Beurteilung ihrer Säureresistenz soll ihr Lösungsverhalten in unterschiedlichen Lösungen untersucht werden. Mögliche chemische Verwitterungsreaktionen werden diskutiert, um das Verhalten der Naturwerksteine in unterschiedlichen Umweltbedingungen zu beleuchten Nachdem die einzelnen extrinsischen Faktoren (u.a. Klima- und Umweltbedingungen) sowie die intrinsischen Faktoren der einzelnen Steine (petrophysikalische Eigenschaften und Mineralkomposition sowie Gefügeeigenschaften, etc.) erfasst und ihr physikalisches und chemisches Verwitterungsverhalten in Tests empirisch festgestellt wurde, werden in einem nächsten Schritt diese verschiedenen, sehr komplexen wechselwirkenden Verwitterungsreaktionen und –prozesse physikalischer und chemischer Art in situ untersucht. Kapitel 8 stellt die Untersuchungen an den verschiedenen Bauwerksteinen der drei unterschiedlichen Standorte des Kölner, Xantener und Altenberger Doms vor. Die Bildung schwarzer Verwitterungskrusten als Hauptindikator für die Natursteinverwitterung im Zusammenhang mit Luftverschmutzung variiert sehr stark in diesen drei unterschiedlichen – industriell geprägten, städtischen und ländlichen – Klimata. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich nicht nur auf Karbonatgesteinen schwarze Verwitterungskrusten bilden, sondern auch auf silikatischen Naturwerksteinen. Die Krustenbildung auf dem Drachenfels Trachyt ist hauptsächlich durch extrinsische Faktoren bestimmt, dabei können benachbarte Gesteine zu dieser Krustenbildung mit beitragen. Für den Drachenfels Trachyt wird ein Verwitterungsmodell entwickelt, das die Wechselwirkung der verschiedenen Rückkopplungsmechanismen physikalischer und chemischer Verwitterungsprozesse als Funktion intrinsischer und extrinsischer Faktoren darstellt. Im abschließenden Kapitel wird die anfangs gestellte Frage nach einem adäquaten Ersatzgestein aufgegriffen. Vor dem Hintergrund der unterschiedlichen durchgeführten Untersuchungen und daraus gewonnenen Erkenntnisse werden mögliche Wechselwirkungen der unterschiedlichen miteinander verbauten Werksteine beleuchtet. Grundsätzliche Anforderungen an Ersatzgesteine umfassen mineralogische, optische und petrophysikalische Eigenschaften. Die starke Divergenz der festgestellten Steinparameter der verschiedenen untersuchten Gesteine (Mineralkomposition, Porosität, Wasseraufnahme und –sättigung, Trocknungsverhalten, Feuchte- und Temperaturdehnung, Festigkeitsparameter, etc.) zeigt, dass es anhand dieses Anforderungskataloges fast unmöglich ist, ein ideales Ersatzgestein zu finden, falls die Parameter nicht differenzierter betrachtet werden. Dazu wird die Summe der Eigenschaften und Charakteristika in Hinblick auf ihre Signifikanz für die Materialeigenschaften und das Materialverhalten auf der einen Seite sowie für die Ausprägung von Schadensphänomenen und ihr Verwitterungsverhalten auf der anderen Seite miteinander korreliert und bewertet. Anhand einer entsprechenden Punktevergabe werden ein „Material-interner Index“ und ein „Verwitterungs-Index“ erstellt. Aus diesen beiden Bewertungs-Skalen ergeben sich die „Schlüssel-Parameter“ des Originalgesteins, die bei einem Kompatibilitätsabgleich mit einem potenziellen Austauschgestein im Rahmen des genannten Anforderungskataloges übereinstimmen sollten. Diese systematische Herangehensweise der Evaluierung führt zu einer Entwicklung von allgemeinen Qualitätskriterien für die Kompatibilität zur Auswahl geeigneter Ersatzgesteine für historische Bauwerke, in denen mehr als ein Naturwerkstein verbaut ist. Sie trägt zur Beurteilung der Verträglichkeit von historischen und modernen Austauschmaterialien in einem Bauwerk bei. Die neu gewonnenen Erkenntnisse sollen also einen Beitrag leisten bei der Aufstellung von Sanierungs- und Konservierungskonzepten, im Besonderen bei der Evaluierung von Materialkompatibilitäten und der entsprechenden Auswahl von Ersatzgestein, und damit die Entwicklung und Umsetzung von qualitativ hochwertigen Erhaltungsstrategien für Baudenkmäler aus Naturwerkstein unterstützen.The present work deals with the deterioration of natural building stones as a function of mineralogical and petrophysical properties in different environmental and building-physical contexts. Taking Cologne cathedral as an example, the diversity of construction materials found in this monument and the resulting problems of the interference of these materials with each other in terms of their deterioration will be elucidated. Physical and chemical deterioration processes are empirically ascertained through laboratory testing and experiments, and are correlated to the specific petrophysical properties determined in the various stones. Decay phenomena observed in situ and the processes conected with these are investigated. To evaluate the different pollution impacts, the decay in three different environmental situations is examined: at industrial Cologne, at urban Xanten and at rural Altenberg. A major influence of air pollution on stone deterioration is ascertained for not only carbonate stone but also silicate stones. Taking the Drachenfels trachyte as an example, mineral composition, textural features, and petrophysical properties are correlated with the observed decay phenomena and the ascertained physical and chemical deterioration mechanisms in an overall context. These results lead to a model of deterioration of the Drachenfels trachyte. In regard to the replacement of natural building stones as a preservation measure for historic monuments, the gained insights from the analyses and laboratory experiments are discussed and existing general criteria for replacement stones are considered more differentiated. The various feedback mechanisms of the different building stones in respect of petrophysical characteristics and deterioration behavior are evaluated. Based on this assessment a selection system can be developed that, supports the evaluation of the compatibility of historical and modern replacement stones for historical buildings and contributes to the preservation of cultural monuments. During its 600-year history, over 50 different building stones have contributed to the construction of Cologne cathedral. The present work considers eight main building stones. The investigated “cathedral stones” are the Drachenfels trachyte, the Stenzelberg latite, the Obernkirchen and Schlaitdorf sandstones, the Krensheim Muschelkalk, the Londorf basalt lava as well as the Montemerlo trachyte and the Bozanov sandstone. A use of similar natural building stones is ascertained for the Xanten and Altenberg cathedrals. These three monuments built at the same time in the 13th century show the use of similar stones not only during the first phase of building, but also in their later construction and restoration. Chapter 2 of the present work introduces these three monuments and the use of building stones in them. The question of appropriate replacement material has been around for long time, since the medieval used Drachenfels trachyte was no longer available for construction work in the 19th century. The environmental situations of the three cathedrals differ greatly: while Cologne cathedral is located in an industrial area, the urban environment at Xanten shows only minor industrial impacts, whereas Altenberg is located in a rural forested environment. Chapter 3 describes in more detail these differing environmental conditions. Furthermore, microclimatic measurements of moisture balance and temperature distribution within different building stones at Cologne cathedral are presented. Detectors are placed at different depths inside each building stone in situ oriented in different building expositions. These measurements will aid understanding of correlations and interactions of moisture and temperature distribution with observed decay phenomena and investigated deterioration processes. The building stones at the three monuments in different environmental conditions show similar decay patterns. The Cologne cathedral suffers severe stone deterioration, which endangers the structure of the building. The Drachenfels trachyte shows pronounced deterioration phenomena such as contour scaling, flaking and structural disintegration to crumbling and total fabric collapse. Other main building stones e.g. sandstones, carbonates, and volcanic rocks, show significant degradation as well. The different deterioration phenomena of the three buildings are illustrated in Chapter 4. At Xanten and Altenberg cathedrals similar deterioration phenomena are detected, but intensity of decay is significantly less pronounced. Deterioration processes in the different building stones are comparable. They are controlled by the mineralogical composition and texture of the stones, which in turn influence the petrophysical properties. This indicates that the intensity of decay at the three monuments varies with the different environmental situations. The petrophysical properties and specific characteristics of the eight investigated building stones of the Cologne cathedral are ascertained. In Chapter 5 petrographic and petrophysical characteristics are investigated as well as moisture, thermal and strength properties. These properties are correlated to each other in terms of their influence and dependence on each other. They are also discussed in respect of their influence on the typical deterioration phenomena of each stone. In Chapter 6 experiments and tests on physical weathering are described. The specific drying behavior of the eight “cathedral stones” is discussed, as well as their reactions in cyclic freeze-thaw and salt weathering tests. The test results are correlated to the specific properties of the eight stones and compared to the decay observed in situ. The results of chemical experiments are discussed in Chapter 7 are presented to aid understanding of stones’ reactions in chemical weathering. A general assessment is given of the stones’ resistivity against acidic attack, and their dissolution behavior in different leachants is also investigated. Possible chemical weathering reactions are discussed to elucidate how natural building stones behave under various environmental conditions. After the ascertainment of extrinsic factors (building climatic and environmental conditions etc.) and intrinsic factors (such as petrophysical properties, mineral composition, textural features, etc.) in the various stones, as well as the empiric assessment of their physical and chemical deterioration behavior, the next consequential step was to investigate in situ the different, highly complex interacting weathering reactions and deterioration processes of a physical and chemical character. Chapter 8 presents these investigations in three different locations at Cologne, Xanten and Altenberg. The formation of black weathering crusts as the main indicator for pollution-related stone decay varies significantly between industrial, urban and rural environments. It can also be shown that gypsum crusts not only form on carbonate but as well on silicate stone. The crust formation on the Drachenfels trachyte is mainly controlled by extrinsic factors, and adjacent stone may contribute. A model of deterioration is developed for the Drachenfels trachyte illustrating the interactions and feedback mechanisms of stone characteristics as well as physical and chemical deterioration process in the context of pollution impact. The final chapter returns to the question of adequate replacement stones. On the background of the several investigations and the gained knowledge, possible interferences of different adjacent building stones are illustrated. The general requirements for replacement stones are summarized in terms of mineralogical, optical and petrophysical properties. The strong divergence of the ascertained parameters of the investigated stones (i.e. mineral composition, porosity, water absorption and saturation, drying characteristics, moisture and thermal dilatation, strength properties, etc.) shows, that the constraints for a replacement material make it almost impossible to find an ideal stone, if parameters are not differentiated stronger. Properties and characteristics are correlated and assessed in terms of their significance for material behavior and in view of the observed deterioration phenomena and processes. They are ranked as “material index” and “decay index”. The correlation of these rankings determines their relevance for replacement criteria: the imperative “key parameters” are indicated. These are the parameters the replacement stone should match; they should be met within the stated requirements for replacement stones. This evaluation leads to a systematic approach developing general criteria of compatibility in selecting replacement materials for historic monuments comprising more than one natural building stone material. It also supports the evaluation of the compatibility of historical and modern replacement stones within a building. The gained knowledge will aid to establish restoration and conservation concepts, especially in terms of evaluating material compatibilities and the respective selection of replacement materials; thus contributing to the development and implementation of preservation measures for historic stone monuments